Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı

2017

A novel spring-like cellular structure design for energy absorbing applications

Enerji emici uygulamalar için yay-benzeri hücre yapı tasarımı

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 496486

Tezi Bul
Özet:

Katmanlı üretim teknolojisinin gelişmesiyle beraber, karmaşık geometrilere sahip yapılar üretilebilir hale geldi. Bu yapılar klasik parça eksiltme yöntemleriyle üretilmesi neredeyse imkansız veya çok maliyetli yapılardı. Katmanlı üretim teknolojisi sayesinde, bu karmaşık yapılar üretilebilir hale gelmekten öte daha da önem kazandı. Ve artık bu teknoloji sayesinde günümüzde bu yapılar CAD programlarında dizayn edilip, bir parça ekleme yöntemi olan katmanlı ğretim teknolojisiyle çok kolay bir şekilde üretilebiliyorlar. Katmanlı üretim teknolojisi, isminden de anlaşılacağı gibi parçaları katman katman üst üste ekleyip CAD verisi üzerinden üretim yapmaktadır. Bu sayede CAD programlarında atsarlanmış bu yapılar, gerektiği takdirde sonlu elemanlar yöntemiyle analiz edildikten sonra optimum hale getirilip gerçek hayattaki uygulamalarda kullanılabiliyor. Bu süreçte, katmanlı üretim teknolojisinin rolü oldukça önemli, çünkü bu dizaynlar, analizler ve modeldeki iyileştirmelerin bir üretim yöntemi eksikliğinde hiçbir önemi kalmazdı. Bu yöntem yapılan tasarımların dijital bir veriden öteye geçip, gerçek hayattaki uygulama alanlarında kullanılmasına ön ayak olmuştur. Bu tezde, karmaşık bir yapıya sahip bir hücre yapı tasarlanmış, statik analizleri yapılıp iyileştirilmiş ve dinamik analizler sonucunda enerji emme kapasitesi sonuçları sunulmuştur. Bu tezin amacı, enerji emme kapasitesi yüksek yeni bir yay-benzeri hücre yapı tasarlamaktır. Bahsedilen bu yay-benzeri hücre yapı, statik ve dinamik yükler altında yüksek enerji emici kapasiteli bir yapı olarak tasarlanmıştır. Tezin giriş kısmında, katmanlı üretim teknolojileri hakkında bilgi verilmiş ve yaygın yöntemlerinden bazılarından kısaca bahsedilmiştir. Ayrıca bu tezdeki amaçla amaçları örtüşen literatürdeki benzer hücre yapılardan bahsedilmiş, örnekler verilmiş ve literatürdeki bu örneklerin ortak noktaları xxii belirtilmiştir. Bu yapılar tasarlanırken nelere dikkat edildiği, nasıl bir yol izlendiği not edilmiş ve bunlar bu tezde de uygulanmaya çalışılmıştır. Literatürdeki bu çalışmaların ortak iyi noktaları, ve ortak zayıf noktaları incelenmiş ve tasarlanan yeni model bu doğrultuda olmuştur. Literatürde bir benzeri olmayan bir model tasarlanmış, önceki çalışmalarda yapılan hatalardan kaçınılmış ve az önce de bahsedilen ortak güçlü noktalar bu modelde harmanlanmaya çalışılmıştır. Model tasarlandıktan sonra parametreleri belirlenmiş, ve bu parameterlerin modele olan etkileri statik sonlu elemanlar yöntemleriyle incelenmiştir. Bu analizler ışığında optimum olduğu düşünülen paremetrelerle dizayn iyileştirilmiş, ve en iyi üç model belirlenmiştir. Bu tezde bu optimum olduğu düşünülen üç model dinamik sonlu elemanlar analizleri ile test edilmiştir. Ancak tasarlanan üç boyutlu modelin, ince ayrıntılara sahip olması ve tezde daha detaylıca bahsedilen sebeplerden dolayı analiz çok uzun sürmüştür. Bu sebeple modeli basitleştirmek için, hücre yapılar analitik yaylara indirgenip analizler bu şekilde yapılmaya çalışılmıştır. Model, basitleştirirken iki yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemlerden birinde 8 tane hücre yapıdan meydana gelmiş sandviç yapının hepsi tek bir yaya indirgenirken, ikinci yöntemde her hücre yapı için bir yay kullanılmıştır. Bu iki modelin de verdiği sonuçlar birbirlerine çok benzer olmakla beraber, dinamik analizi yapılan 3 boyutlu asıl modelde yakınsayabildikleri noktalar değişiklik göstermektedir. Bu karşılaştırmalar ve benzerlikler, tüm analizlerin sonuçları ve yorumları tezin sonuç kısmında ve tartışma kısmında sunulmuştur. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda, basitleştirilmiş analizlerin asıl üç boyutlu modelin analizinde ulaşılan bazı sonuçları verebildiği görülmüştür. Basitleştirilme yapılmayan analiz yaklaşık 9 gün sürerken, basitleştirilmiş modellerin analizleri en uzun bir saat sürmektedir. Bu açıdan bakıldığında yapılacak analizlerin amaçları doğrultusunda bu basitleştirme yöntemleri kullanılabilir. Ve bu yöntem kişiye, kaynak, para ve en önemlisi de çok yüksek miktarda zaman tasarrufu sağlayabilir. Bu tezde tasarlanan yapının analizleri yapılırken kullanılan malzeme olarak ABS seçilmiştir. ABS katmanlı üretim teknolojilerden sıklıkla kullanılan bir plastik olmasının yanı sıra, bu tezde amaçlanan enerji emme özelliği için de uygun bir malzemedir. xxiii Buna ek olarak, hücre yapılar da enerji emme kapasitesi yönünden yapısal olarak oldukça elverişli yapılardır. Hücre yapılar, ilerleyen kısımlarda da daha detaylı bir şekilde bahsedildiği üzere, sadece gereken yerlere malzeme konarak üretilmiş yapılardır. Yani kısaca, gözenekli ve boşluklu olarak tanımlanabilecek yapılardır. Bu sebeple, bu yapılar hafif olmalarının yanı sıra yüksek dayanım/ağırlık oranına da sahiptirler. Yani özgül enerji emme kapasitleri yüksektir. Buna ek olarak içlerindeki gözenekler ve boşluklar sayesinde yüksek deformasyon potansiyeline de sahiptirler. Enerji emme amacıyla tasarlanmış bu yapıların yüksek deformasyon özgürlüğüne sahip olmaları hayati bir özelliktir. Tabi bu deformasyonun elastik olması şartı vardır. Bu tezde tasarlanan yay benzeri hücre yapıda ilk olarak aranan özellikler, plastik deformasyona uğramaması, yüksek deformasyon özgürlüğüne sahip olması, ve hafif olmasıdr. Ve tasarlanan yapı bu özellikler doğrultusunda dizayn edilmiştir.

Summary:

With the outstanding development of additive manufacturing (AM) process, highly complex geometries became producible. Now it is possible to design a complex structure by using computer aided drawing (CAD) softwares, analyze it with finite element method (FEM) to see if it works well and lastly produce it with AM technology. AM plays a vital role to bring these designs to life. In this thesis, a complex geometry is generated as CAD data, analyzed with finite element analysis (FEA) and redesigned until the most effective design is found, and the results are presented. The aim is to design a novel spring-like cellular structure to have high energy absorption capacity. The structure designed in this thesis is specialized as an energy absorbant structure under static and dynamic loads. At the very beginning, additive manufacturing is briefly explained, cellular structures are defined and the literature is scanned to see the previously designed additevely manufactured, complex, light-weighted, and energy absorpant structures. The common qualities of the best designs are noted, and the aspects of the poorly designed structures are investigated to design a better structure. After the structure is designed, its parameters are defined and the effects of the parameters are investigated. By doing this, the optimum structure is tried to determined. Later on, when the design and modification processes are over, the model is tested under dynamic loading with help of FEA and results are presented. To do this, the design is simplified since the analysis of the structure takes very long time. The structure is simplified with analytical springs, and two different methods are used for this simplfication process. At the end, when those analyses are made, the energy absorption characteristics of both the actual 3D model and simplified models are calculated and compared. Those results are presented in the results chapter, and compared in the conclusion chapter.